ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Лазерное разделение изотопов в атомарном паре элементов из "Изотопы Свойства, получение, применение Том 1" К атомному варианту лазерной изотопной сепарации (АВЛИС) может быть отнесён как метод, основанный на световом давлении, так и метод селективной фотоионизации. [c.374] При селективной фотоионизации атомов имеет место совсем иная ситуация. Лучи лазеров, пропущенные над испарителем длиной в десятки и даже сотни метров, могут производить весьма значительные количества ионов (до нескольких молей в час), и это одно из достоинств АВЛИС-метода. Два, три или четыре лазерных луча, собранные в один эгрет, могут освещать очень большой объём нейтральных атомов. [c.375] Возникновение идеологии фотоионизационного метода естественно совпадает со временем интенсивного осмысливания новых возможностей в науке и технике, предоставляемых лазерным излучением. Первые теоретические рассмотрения методов разделения изотопов с помощью лазерного излучения, по-видимому, относятся к концу 60-х годов [3, 4, 5]. Затем следуют модельные эксперименты по целенаправленной, но не селективной фотоионизации атомов рубидия [6], и наконец демонстрационные эксперименты по выделению выполненные одновременно и независимо сразу в нескольких лабораториях [7, 8]. [c.375] Картина реализации фотоионизационного метода (рис. 8.2.1) принципиально состоит в том, что испарённые из тигля атомы какого-либо элемента попадают в рабочий объём, где облучаются светом двух или нескольких лазеров, настроенных на ионизацию одного из изотопов элемента. Фотоионы вытягиваются из потока нейтральных атомов электрическим полем и собираются на коллектор, а нейтральные атомы пролетают дальше и улавливаются сборником отвала. Атомизация вещества может производиться либо термическим нагревом, либо нагревом с помощью электронного луча. [c.375] В соответствии с современным уровнем развития лазерной техники наиболее просто осуществить фотоионизацию тех элементов, потенциал ионизации которых не превышает 6-ь6,5 эВ. Несмотря на то, что в настоящее время известны тысячи линий генерации атомарных и молекулярных лазеров [16, 102], совпадение с линиями поглощения изотопов практически отсутствует. Для точной настройки лазера на линию поглощения выбранного изотопа обычно используются перестраиваемые лазеры на красителях. Использование нелинейных эффектов, дающих возможность удваивать и даже утраивать частоту генерации лазеров, безусловно, расширяет область демонстрации возможностей АВЛИС-метода. [c.375] Спектры поглош,ения тяжёлых элементов также имеют изотопические сдвиги. Положительные заряды в ядрах одного элемента, но для разных изотопов, упакованы с разной плотностью. Ядро, содержаш,ее меньшее количество нейтронов — более компактно. Это приводит к тому, что в этих ядрах термы оптических электронов более глубокие, а линии переходов — более фиолетовые, чем для изотопов с большим числом нейтронов. Объёмный изотопический сдвиг начинает проявляться при массовых числах М 40 -ь 50. Экспериментально изотопический сдвиг легко устанавливается для чётночётных ядер (АМ = 2). В этой области изотопический сдвиг по порядку величины равен А/ ис = где uq — частота оптического перехода. [c.377] На рис. 8.2.2 представлены изотопическая и сверхтонкая структуры для линии Л = 5915 A (переход 5Lg-7M.7) атома урана. Величина изотопического сдвига центра тяжести компонент сверхтонкой структуры относительно линии поглош,ения равна 9 ГГц. [c.377] Для ядер средних масс изотопическое расш,епление не велико, и линии СТС одного изотопа лежат вперемешку с линиями поглош,ения других изотопов данного элемента (рис. 8.2.2). [c.377] Для тяжёлых элементов величина изотопического сдвига велика и компоненты сверхтонкой структуры различных изотопов обычно разрешены [14. [c.377] Однако для получения весовых количеств целевого изотопа необходимы установки с токами в миллион раз большими — десятки миллиампер. Такие установки требуют создания более производительного широкоапертурного испарения и мощных лазеров. К сожалению, в этом случае доплеровское уширение спектральных линий поглощения, а также нерезонансное поглощение излучения, равно как и другие деселектирующие процессы, существенно снижают селективность процесса фотоионизации. [c.378] Наиболее привлекательной особенностью АВЛИС-метода является избирательность воздействия только на целевой изотоп, и это существенное отличие метода. Так, например, в электромагнитном способе разделения происходит ионизация всех изотопов разделяемого элемента, и только доля ионного тока, пропорциональная концентрации целевого изотопа, является полезной. В то же время суммарный ток ионного источника в электромагнитных сепараторах ограничен целым рядом физических и технических причин. [c.378] В АВЛИС-методе эти ограничения не столь критичны, особенно в случае малых концентраций целевого изотопа. [c.379] Для осуществления процесса селективной фотоионизации необходимо атомизовать вещество, что реализуется с помощью различных способов испарения. Это даёт возможность применения АВЛИС-метода к элементам, не имеющим газообразных соединений, в отличие от промышленно развитых газодиффузионной и центрифужной технологий, в которых рабочим телом служат газы или газообразные соединения элементов. [c.379] В силу своей высокой избирательности АВЛИС-метод может быть интересен при очистке вещества от примесей даже в случае их очень малого содержания (10 -ь 10 ). [c.379] Лазерный нагрев обычно осуществляется мощными инфракрасными лазерами, но их использование в АВЛИС-технологии ограничено проблемами запыления внутренних поверхностей окон и нерезонансным возбуждением оптических оболочек атомов разделяемого вещества. Неудобство использования высокочастотного нагрева и полого катода проявляется в образовании неселективных ионов и возбуждении атомов. [c.379] Термический и электронно-лучевой нагрев легко могут обеспечить масштабное испарение при плотностях атомов в рабочем объёме 10 10 атом/см . [c.379] В тигельных источниках атомного пара при термическом нагреве вещество может быть испарено как в замкнутом объёме, имеющем отверстия или щели для выхода пара, так и с открытой площадки. Могут использоваться как бесстолкновительные, так и газодинамические (столкновительные) варианты испарительных систем. Естественно, что материал тигля не должен вступать в химические реакции с испаряемым веществом или растворяться им. [c.379] В тех случаях, когда термическое испарение невозможно, приходится применять испарение с помощью электронного луча. Для того чтобы избежать отравления катода электронно-лучевой пушки испарённым материалом, её обычно прячут в тень от испарённых атомов, а электронный луч поворачивают на тигель с помощью магнитного поля (рис. 8.2.4). Следует отметить, что ускоряющее напряжение и магнитное поле в этом случае должны быть очень стабильны во избежание размытия пятна электронного луча на расплаве. Мощность электронно-лучевых пушек достигает 500 кВт, поэтому сложности в обеспечении масштабного испарения практически любого материала не возникает. Однако часть электронного луча отражается от поверхности испаряемого материала, и необходимо принимать меры по улавливанию отражённых электронов. [c.380] Одним из существенных недостатков испарения материалов электронным лучом для АВЛИС-процесса является ионизация и возбуждение испарённых атомов быстрыми электронами. Это обстоятельство, к сожалению, делает практически невозможным достижение высокой селективности при электронно-лучевом испарении. Таблицы зависимостей упругости паров различных элементов от температуры можно найти, например в [16, 42. [c.382] При увеличении скорости испарения плотность атомов около испаряющей поверхности возрастает, и количество рассеивающих соударений увеличивается. При этом косинусный закон испарения постепенно трансформируется в изотропный по углам д. [c.383] Вернуться к основной статье